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Technik

Mikro-Drohnen mit Lichtantrieb

Künstlerische Darstellung einer Mikro-Drohne, die durch lichtgetriebene Motoren zwischen roten Blutkörperchen gesteuert wird. © Thorsten Feichtner, Uni Würzburg

Kleiner als Blutkörperchen und dennoch präzise steuerbar: Forscher haben winzige Drohnen entwickelt, die sich durch die Rückstoßkraft von Licht antreiben und lenken lassen. Die Funktion der Propeller von Flug-Drohnen übernehmen dabei Lichtmotoren, die aus raffiniert konfigurierten Goldpartikeln bestehen. Sie fungieren als Nano-Antennen, die auf Laserlicht unterschiedlicher Wellenlänge und Polarisation reagieren, indem sie es in bestimmte Richtungen abstrahlen. Die so erzeugten Rückstoßkräfte versetzen die Mikro-Drohnen dann je nach Art der Lichtanregung in gerichtete Bewegungen oder Drehungen. So lassen sie sich gewandt durch ein flüssiges Medium manövrieren, berichten die Forscher.

Wenn wir einen Laserpointer oder eine Taschenlampe in der Hand halten, merken wir den Effekt zwar nicht – aber prinzipiell ist er da: Ähnlich wie ein Luftstrom kann auch gerichtetes Licht Kraft ausüben. Deutlich beeinflussen kann der Strahlungsdruck des Photonen-Stroms allerdings nur kleine und leichte Gebilde. Erkennbar wird dies etwa bei Kometen: Das Sonnenlicht kann ihre Schweife aus feinen Partikeln deutlich ablenken. Diese Kraft des Lichts steht auch bereits seit einiger Zeit im Fokus der Technik. Beispielsweise arbeiten Forscher an Möglichkeiten, leichte Raumfahrzeuge mittels Lichtsegeln anzutreiben. Die Technik, die nun die Forscher um Bert Hecht von der Universität Würzburg präsentieren, basiert allerdings nicht auf dem Einfangen des Lichtstroms, sondern auf der Nutzung der Rückstoßkräfte, die Lichtteilchen beim Verlassen eines Objekts bewirken.

Polymerscheiben mit Lichtmotoren

Diesen Effekt haben sie bei dem Ziel genutzt, Drohnen herzustellen, die so klein sind, dass sie in der Mikro-Welt eines Tages Missionen erfüllen könnten. Wie die Wissenschaftler erklären, haben sie sich bei ihrem Design an dem Grundprinzip der Fortbewegung gewöhnlicher Flug-Drohnen orientiert. Bei den sogenannten Quadrocoptern sorgen vier unabhängige Propeller für gerichtete Luftströme, die eine Kontrolle über die Bewegungen ermöglichen. Bei den mikroskopischen Versionen der Würzburger Wissenschaftler übernehmen Lichtmotoren diese Rolle, indem sie steuerbar Licht in bestimmte Richtungen abgeben, wenn sie durch Laserlicht mit unterschiedlichen Merkmalen angestrahlt werden.

Die Mikro-Drohnen bestehen aus einer transparenten Polymerscheibe mit einem Durchmesser von 2,5 Mikrometern. Um die jeweilige Ausrichtung leicht erkennbar zu machen, besitzt die Scheibe eine seitliche Einkerbung. In diese Gebilde haben die Wissenschaftler bis zu vier Lichtmotoren eingebettet, die sich individuell ansteuern lassen. Sie bestehen aus stäbchenförmigen Goldpartikeln in bestimmten Anordnungen. Die Konfiguration bestimmt dabei, auf welche Strahlungsart sie ansprechen. „Diese Motoren basieren auf in Würzburg entwickelten optischen Antennen – also auf winzigen metallischen Strukturen mit Abmessungen im Bereich der Lichtwellenlänge. Sie wurden dabei auch speziell für den Empfang von zirkular polarisiertem Licht optimiert“, sagt Erstautor Xiaofei Wu.

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Gelenkt durch abgestrahltes Licht

Wie die Forscher erklären, wird das einfallende Licht von den jeweiligen Motoren in bestimmte Richtungen seitlich abgestrahlt. „Dies geschieht sowohl in Abhängigkeit des Drehsinns der Polarisation – mit oder gegen den Uhrzeigersinn – als auch für zwei verschiedene Lichtwellenlängen“, sagt Wu. Durch die Bestrahlung mit vier unterschiedlichen Strahlungsarten lassen sich die Motoren dadurch Laserlicht selektiv aktivieren. Die erzeugten Rückstoßkräfte reichen dabei aus, die winzigen Drohnen gerichtet zu bewegen und zu drehen. So lassen sie sich präzise und flott über eine Unterlage in einem flüssigen Medium steuern, zeigten die Experimente.

Wie die Universität Würzburg abschließend berichtet, arbeitete das Team nun an der weiteren Optimierung ihrer raffinierten Mikro-Drohnen. Vor allem wollen sie die bisher zweidimensionalen Steuermöglichkeiten erweitern, um auch die Höhe der Drohnen über der Oberfläche zu kontrollieren. Außerdem tüfteln sie daran, Werkzeuge an den Mikro-Drohnen anzubringen. All dies soll dem übergeordneten Ziel dienen: Präzise steuerbare Mini-Sonden, könnten eines Tages Nanostrukturen zusammenbauen, feine Oberflächenmerkmale analysieren oder auf medizinische Missionen geschickt werden, so die Vision.

Quelle: Universität Würzburg, Fachartikel: Nature Nanotechnology, doi: 10.1038/s41565-022-01099-z

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